一種基于鏈路穩(wěn)定性的無人機(jī)自組網(wǎng)路由方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于鏈路穩(wěn)定性的無人機(jī)自組網(wǎng)路由方法。本發(fā)明中的鏈路穩(wěn)定性由無人機(jī)節(jié)點(diǎn)相對(duì)速度，單跳鏈路傳輸時(shí)延，單跳鏈路信號(hào)強(qiáng)度及鏈路活躍時(shí)間共同決定。本發(fā)明基于鏈路生命周期作為路由選擇限制參數(shù)，可以很大程度降低無人機(jī)集群拓?fù)淇焖僮兓瘜?duì)路由帶來的影響，減少路由失效頻率，提高路由穩(wěn)定性。同時(shí)，因?yàn)槁酚珊诵乃惴ú渴鹪诩惺椒?wù)器中，運(yùn)算性能比傳統(tǒng)分布式路由運(yùn)算高。集群控制器維護(hù)集群的全部鏈路狀態(tài)，當(dāng)路由失效事件發(fā)生可以迅速選擇備份路徑，滿足路由快速響應(yīng)的需求。
【專利說明】
-種基于鏈路穩(wěn)定性的無人機(jī)自組網(wǎng)路由方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無人機(jī)組網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種基于鏈路穩(wěn)定性的無人機(jī)自組網(wǎng)路由 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著環(huán)境和業(yè)務(wù)復(fù)雜度的增加，單架無人機(jī)已經(jīng)難W滿足任務(wù)要求，而無人機(jī)集 群能夠?qū)⒚總€(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)獲取的信息進(jìn)行整合和分析，通過多機(jī)協(xié)同達(dá)到對(duì)目標(biāo)和環(huán)境更 加全面和準(zhǔn)確的了解。因此大規(guī)模無人機(jī)集群協(xié)作是必然趨勢(shì)。無人機(jī)集群協(xié)作主要依靠 無人機(jī)之間的高性能數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，其核屯、是建立能夠良好自適應(yīng)集群拓?fù)渥兓穆酚蓞f(xié) 議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包在無人機(jī)之間的多跳轉(zhuǎn)發(fā)。
[0003] 傳統(tǒng)由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的自組網(wǎng)（a化OC)如移動(dòng)自組網(wǎng)（Mobile Ad化C化twork， MANET)和車載網(wǎng)（vehi州lar ad hoc network, VANET)為無人機(jī)集群分布式通信提供了理 論和技術(shù)依據(jù)。基于MANET或VANET網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，路由協(xié)議在無人機(jī)集群中進(jìn)行分布式部署，即 每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)與相鄰節(jié)點(diǎn)的連接狀態(tài)進(jìn)行分析，選擇從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小距離路 徑。
[0004] 然而MANET和VANET網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議性能受到很多因素影響包括節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性，計(jì)算 資源，能耗限制，無線信道質(zhì)量等，對(duì)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)組成的集群自組網(wǎng)帶來新的挑戰(zhàn)。例如，傳 統(tǒng)MANET網(wǎng)絡(luò)針對(duì)小型嵌入式系統(tǒng)無線節(jié)點(diǎn)，計(jì)算資源和電池能耗有限并且節(jié)點(diǎn)一般處于 低速運(yùn)動(dòng)(〇-2m/sec)。相比，VANET網(wǎng)絡(luò)支持更高的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度(如20-30m/s汽車高速場(chǎng) 景），節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理由性能較高的車載計(jì)算平臺(tái)完成，并且通常依靠車載供電系統(tǒng)。而無 人機(jī)節(jié)點(diǎn)組成的集群自組網(wǎng)的特點(diǎn)是，移動(dòng)速度高(O-lOOm/s);小型無人機(jī)機(jī)載計(jì)算資源 有限，飛行控制系統(tǒng)占去主要的CPU和內(nèi)存資源W保障飛行姿態(tài)穩(wěn)定;續(xù)航時(shí)間有限。此外， 集群密度的變化，外界環(huán)境因素的影響（如風(fēng)速，障礙物)也會(huì)帶來額外的計(jì)算資源和電量 消耗。因此，傳統(tǒng)MA肥T和VA肥T網(wǎng)絡(luò)不能直接應(yīng)用在無人機(jī)集群通信系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于鏈路穩(wěn)定性的無人機(jī)自組網(wǎng)路由方 法。
[0006] 本發(fā)明方法的具體是： 鏈路狀態(tài)管理:每一個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)將當(dāng)前飛行速度矢量，與相鄰節(jié)點(diǎn)通信的接收信號(hào) 強(qiáng)度，相鄰節(jié)點(diǎn)間的單跳傳輸時(shí)延，相鄰節(jié)點(diǎn)鏈路生命周期，周期性發(fā)送給集群控制器。
[0007] 鏈路狀態(tài)表維護(hù):集群控制器建立鏈路狀態(tài)參數(shù)矩陣。在某一時(shí)刻，當(dāng)無人機(jī)節(jié)點(diǎn) i和j之間的信號(hào)強(qiáng)度和單跳數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延同時(shí)到達(dá)闊值時(shí)，即認(rèn)為無人機(jī)i和j之間的鏈 路失效。
[000引路由建立:路由邏輯運(yùn)算過程部署于集群控制器，基本思想是W節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài) 的穩(wěn)定性作為路由選擇參數(shù)，建立從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包傳輸路徑。鏈路穩(wěn)定性由 鏈路的生命周期參數(shù)來表示，即鏈路生命周期最長的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接將被選擇為數(shù)據(jù)包下 一跳的路徑。假設(shè)無人機(jī)間相對(duì)速度霜，節(jié)點(diǎn)間信號(hào)強(qiáng)度和傳輸時(shí)延與鏈路生命周期都屬 于線性關(guān)系。無人機(jī)節(jié)點(diǎn)巧日j間距離減小，相對(duì)速度麵;的值為負(fù)數(shù)，鑽小于1;反之，瓣的 值大于1。采用多元線性回歸算法對(duì)無人機(jī)間相對(duì)速度，節(jié)點(diǎn)間信號(hào)強(qiáng)度和傳輸時(shí)延Ξ個(gè)參 數(shù)進(jìn)行分析，基于最小二乘法確定回歸參數(shù)。
[0009] 本發(fā)明關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)包括:基于無線鏈路的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)無人機(jī)集群路由方法。鏈路 穩(wěn)定性由無人機(jī)節(jié)點(diǎn)相對(duì)速度，單跳鏈路傳輸時(shí)延，單跳鏈路信號(hào)強(qiáng)度及鏈路活躍時(shí)間共 同決定。
[0010] 本發(fā)明基于鏈路生命周期作為路由選擇限制參數(shù)，可W很大程度降低無人機(jī)集群 拓?fù)淇焖僮兓瘜?duì)路由帶來的影響，減少路由失效頻率，提高路由穩(wěn)定性。同時(shí)，因?yàn)槁酚珊?屯、算法部署在集中式服務(wù)器中，運(yùn)算性能比傳統(tǒng)分布式路由運(yùn)算高。集群控制器維護(hù)集群 的全部鏈路狀態(tài)，當(dāng)路由失效事件發(fā)生可W迅速選擇備份路徑，滿足路由快速響應(yīng)的需求。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] W下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0013] 本發(fā)明目的提高無人機(jī)集群路由穩(wěn)定性。當(dāng)路由失效事件發(fā)生時(shí)，集群自組網(wǎng)需 要重新啟動(dòng)路由運(yùn)算過程，根據(jù)路徑選擇算法逐跳多播或廣播路由發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求，并在無人機(jī) 節(jié)點(diǎn)更新路由表信息。由于鏈路頻繁失效會(huì)帶來大量的計(jì)算開銷和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，嚴(yán)重影 響無人機(jī)集群通信性能，因此，設(shè)計(jì)高性能無人機(jī)集群自組網(wǎng)路由協(xié)議，關(guān)鍵是要考慮路由 的穩(wěn)定性。
[0014] 圖1所示為無人機(jī)集群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中遠(yuǎn)程控制中屯、管理和部署集群實(shí)際業(yè)務(wù)，如 路由邏輯運(yùn)算，無人機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和鏈路狀態(tài)與飛行姿態(tài)監(jiān)測(cè)。集群通信系統(tǒng)用戶面負(fù) 責(zé)分發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如飛行姿態(tài)信息，傳感器和多媒體信息等；控制面負(fù)責(zé)集群組網(wǎng)邏輯運(yùn) 算，如路由協(xié)議部署。集群系統(tǒng)控制面(con化〇1 plane)信息交互分別選擇WiFi和LTE鏈路 作為通信載體，而無人機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的用戶面(user plane)信息交互選擇WiFi鏈路作為通信 載體。無人機(jī)雙模接口（WiFi, LTE)方案一方面提高了控制面數(shù)據(jù)通信吞吐量;另一方面減 少了用戶面數(shù)據(jù)在無人機(jī)間傳輸?shù)母蓴_，提高了無線信道利用率。
[0015] 對(duì)于無人機(jī)集群密度較高的場(chǎng)景，無人機(jī)之間相對(duì)距離較小(如0-0.1公里），相鄰 無人機(jī)節(jié)點(diǎn)之間通過WiFi點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信(ad hoc模式)可W獲取單跳鏈路狀態(tài)參數(shù)(如RSSI， delay)。本方案的核屯、思想是通過對(duì)單跳鏈路狀態(tài)的分析（link status analysis, LSA) 為路由選擇算法提供限制參數(shù)。
[0016] 表 1 鏈路狀態(tài)表（i，j=l，2，···Ν)

表1列出了鏈路狀態(tài)表管理的參數(shù)，i和j代表無人機(jī)節(jié)點(diǎn)，N代表無人機(jī)節(jié)點(diǎn)總數(shù)。在 任意時(shí)刻t，相鄰兩個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)間的鏈路狀態(tài)參數(shù)矩陣（link sta化S ma化ix, LSM)，包 括相對(duì)速度矢量拓，接收信號(hào)強(qiáng)度(received si即al strength index, RSSIij)，單跳傳輸 時(shí)延(DELAYij)和鏈路生命周期（Δ化Tij)。馬是節(jié)點(diǎn)巧日j的相對(duì)速度，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)速度由機(jī) 載空速傳感器獲得并經(jīng)LTE鏈路發(fā)送至集群控制器。RSSIij和DELAYij由節(jié)點(diǎn)巧日j經(jīng)ad hoc 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路獲取再經(jīng)LTE鏈路發(fā)送至集群控制器。RSSI依賴于節(jié)點(diǎn)間距離，發(fā)射接收功率， 信道干擾等因素影響而Delay依賴無人機(jī)節(jié)點(diǎn)隊(duì)列等待策略，MAC層信道接入機(jī)制和無線傳 輸速率等因素。Δ化Τυ值由集群SDN控制器維護(hù)，記錄節(jié)點(diǎn)i和j鏈路有效(Beacon數(shù)據(jù)包可 達(dá))的時(shí)間。當(dāng)鏈路失效時(shí)，Δ化Τυ值歸零。鏈路失效定義為當(dāng)無線信號(hào)不可達(dá)或信號(hào)強(qiáng)度 衰減不足W滿足上層業(yè)務(wù)Q〇S(quality of service)要求。路由算法的具體步驟： 鏈路狀態(tài)管理:每一個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)將當(dāng)前飛行速度矢量夢(mèng)，與相鄰節(jié)點(diǎn)通信的接收信 號(hào)強(qiáng)度RSSI，相鄰節(jié)點(diǎn)間的單跳傳輸時(shí)延(delay),相鄰節(jié)點(diǎn)鏈路生命周期Δ化T，周期性發(fā) 送給集群控制器。距離鏈路狀態(tài)表的大小與集群節(jié)點(diǎn)數(shù)量η的關(guān)系如公式(1)，
鏈路狀態(tài)表維護(hù):集群控制器建立鏈路狀態(tài)參數(shù)矩陣(公式(2))。在時(shí)刻tk，當(dāng)無人機(jī) 節(jié)點(diǎn)i和j之間的信號(hào)強(qiáng)度和單跳數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延同時(shí)到達(dá)闊值，RSSI化和DELAYth，即認(rèn)為 無人機(jī)巧日j之間的鏈路失效。闊值RSSIth和DELAY化隨具體業(yè)務(wù)應(yīng)用取值不同，W滿足不同 的QoS要求。
[0017]
(2) 路由建立:路由邏輯運(yùn)算過程部署于集群控制器，基本思想是W節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)的穩(wěn) 定性作為路由選擇參數(shù)，建立從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包傳輸路徑。鏈路穩(wěn)定性由鏈路 的生命周期參數(shù)來表示，即鏈路生命周期最長的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接將被選擇為數(shù)據(jù)包下一跳 的路徑。假設(shè)無人機(jī)間相對(duì)速度1，節(jié)點(diǎn)間信號(hào)強(qiáng)度RSSI和傳輸時(shí)延delay與鏈路生命周期 都屬于線性關(guān)系。無人機(jī)節(jié)點(diǎn)i和j間距離減小，相對(duì)速度ζ的值為負(fù)數(shù)，;Μ小于1;反之， 的值大于1。采用多元線性回歸算法對(duì)琴，RSSI和delays個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，基于最小二 乘法(Ordinary Least Square)確定回歸參數(shù)0日，01，防，如公式（3)。
[001 引
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于鏈路穩(wěn)定性的無人機(jī)自組網(wǎng)路由方法，其特征在于： 鏈路狀態(tài)管理:每一個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)將當(dāng)前飛行速度矢量，與相鄰節(jié)點(diǎn)通信的接收信號(hào) 強(qiáng)度，相鄰節(jié)點(diǎn)間的單跳鏈路傳輸時(shí)延，相鄰節(jié)點(diǎn)鏈路生命周期，周期性發(fā)送給集群控制 器； 鏈路狀態(tài)表維護(hù):集群控制器建立鏈路狀態(tài)參數(shù)矩陣;在某一時(shí)刻，當(dāng)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)i和j 之間的信號(hào)強(qiáng)度和單跳鏈路傳輸時(shí)延同時(shí)到達(dá)閾值時(shí)，即認(rèn)為無人機(jī)i和j之間的鏈路失 效； 路由建立：路由邏輯運(yùn)算過程部署于集群控制器，基本思想是以節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)的穩(wěn) 定性作為路由選擇參數(shù)，建立從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包傳輸路徑;鏈路穩(wěn)定性由鏈路 的生命周期參數(shù)來表示，即鏈路生命周期最長的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接將被選擇為數(shù)據(jù)包下一跳 的路徑;假設(shè)無人機(jī)間相對(duì)速度f:，節(jié)點(diǎn)間信號(hào)強(qiáng)度和單跳鏈路傳輸時(shí)延與鏈路生命周期 都屬于線性關(guān)系；無人機(jī)節(jié)點(diǎn)i和j間距離減小，相對(duì)速度?ζ的值為負(fù)數(shù)，?小于1;反之， 的值大于1;采用多元線性回歸算法對(duì)無人機(jī)間相對(duì)速度，節(jié)點(diǎn)間信號(hào)強(qiáng)度和單跳鏈路 傳輸時(shí)延三個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，基于最小二乘法確定回歸參數(shù)。
【文檔編號(hào)】H04L12/727GK105871717SQ201610362555
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】袁振琿, 孫玲玲
【申請(qǐng)人】杭州電子科技大學(xué)